Сонячно-вітрова гібридна енергетична установка

Реферат: Сонячно-вітрова гібридна енергетична установка, що містить сонячну батарею (СБ), вихід якої з'єднаний з входом керованого перетворювача постійної напруги на вході в постійну напругу на виході (DC-DC перетворювач), вітроагрегат з електрогенератором (ВЕУ), вихід якого з'єднаний з входом керованого перетворювача змінної напруги на вході в постійну напругу на виході (АСDC перетворювач), спільний шинопровід, електрохімічну акумуляторну батарею (АК) як накопичувач електроенергії, яка може підключатися/відключатися до/від спільного шинопроводу за допомогою розрядного ключа, який управляється сигналом з блока керування (БК); перетворювач енергії постійного струму на вході в змінний струм (DC-АС перетворювач), що підключений безпосередньо до спільного шинопроводу, до виходу якого може бути підключений споживач (споживачі); датчик напруги на спільному шинопроводі, вихід якого підключений входу блока керування (БК); блок керування (БК), який формує сигнали управління DC-DC перетворювачем та АС-DC перетворювачами, причому введені допоміжний елемент навантаження, який може підключатися/відключатися по сигналу блока керування (БК) до/від спільного шинопроводу силовим електронним ключем, блок оцінки рівня заряду (БРЗ), вхід якого підключений до електрохімічної акумуляторної батареї (АК), а вихід - до входу блока керування (БК), зарядний ключ з блоком обмеження струму заряду, суматор енергопотоків, входи якого підключені до виходів перетворювача постійної напруги на вході в постійну напругу на виході та перетворювача змінної напруги на вході в постійну напругу на виході, а вихід - до спільного шинопроводу, та датчик параметрів (струм, напруга) енергопостачання, який включений між DC-AC перетворювачем та споживачем і виходи якого підключені до входів блока керування (БК), причому DC-АС перетворювач виконаний керованим, сигнал управління якого підключений до виходу блока керування (БК). UA 96628 U (54) СОНЯЧНО-ВІТРОВА ГІБРИДНА ЕНЕРГЕТИЧНА УСТАНОВКА UA 96628 U UA 96628 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до інтегрованих сонячно-вітрових енергетичних установок (ІСВЕУ), які можуть використовуватися як автономні системи енергоживлення. В сучасних умовах все більше звертається уваги на використання сонячної енергії в енергетиці. Сонячна фотоенергетика розглядається як один з найважливіших альтернативних джерел енергії. Суттєвою вадою сонячної енергетики є її залежність від добових та сезонних коливань рівня освітленості. Розрахунки показують, що сонячна енергія при правильному проектуванні може давати електроенергію тільки протягом 8-10 годин влітку і до 5-6 годин взимку. Саме ця обставина диктує потребу використовувати сонячну фотоенергетику комбіновано з іншими видами поновлюваної і непоновлюваної енергії. Одним з найбільш перспективних методів отримання електроенергії з поновлюваних джерел, поряд з використанням сонячного випромінювання, є перетворення енергії вітру за допомогою єдиної інтегрованої сонячно-вітрової енергоустановки. Відома конструкція автономної системи енергоживлення, що містить джерела електроенергії у вигляді сонячної батареї і вітрової енергоустановки, електрохімічний генератор на основі паливних елементів, акумуляторну батарею, електролізер, водневий і кисневий балони, з'єднані за допомогою трубопроводів і клапанів з відповідними газовими порожнинами паливних елементів електрохімічного генератора та електролізера. (Патент RU №: 2277273, Н01М8/06, Н01М16/00, опублікований 27.05.2006, Каричев З.Р.; Патент RU №: 90262, H01L31/00, Н01М16/00, опублікований 27.12. 2009, Трофименко В.И., Туманов В.Л., Шурыгин П.К.). У запропонованій автономній системі енергоживлення, водень і кисень з балонів подається по трубопроводах через клапани у відповідні порожнини паливних елементів електрохімічного генератора. Електрохімічний генератор генерує електричний струм, який подається споживачеві. При витраті всього запасу реагентів по сигналу датчиків нижнього гранично допустимого значення тиску в трубопроводах за допомогою клапанів контур циркуляції електроліту відключається від паливних елементів електрохімічного генератора і підключається до електролізера, до якого подається електроенергія від сонячної батареї або вітряної енергоустановки. Лужний електроліт піддається електролізу, при цьому утворюються водень і кисень, які накопичуються в балонах, при цьому клапани відключають балони від паливних елементів електрохімічного генератора. При спрацюванні датчиків верхнього гранично допустимого значення тиску в трубопроводах контур циркуляції електроліту відключається від електролізера і підключається до паливних елементів електрохімічного генератора. Зовнішнє джерело електроенергії відключається від електролізера. Живлення споживачів під час перемикання складових автономної системи енергоживлення проводиться від акумуляторної батареї. Недоліки цього пристрою пов’язані зі складністю конструкції накопичування водню та кисню, що потребує ретельної герметизації трубопроводів та страхувальних захисних засобів від механічного руйнування балонів, яке може загрожувати вибухом суміші водню та кисню, які знаходяться в газоподібному стані. За прототип корисної моделі, що пропонується, принято інтегровану сонячно-вітрову енергоустановку, що містить сонячну батарею (СБ) з керованим перетворювачем постійної напруги на вході в постійну напругу на виході (DC - DC перетворювач), вихід якого підключається до спільного шинопроводу, а вихідна напруга встановлюється сигналом з блока керування (БК) у відповідності з рівнем напруги на шинопроводі; вітроагрегат з електрогенератором (ВЕУ) з керованим перетворювачем змінної напруги на вході в постійну напругу на виході (АС-DC перетворювач), вихід якого підключається до спільного шинопроводу, а вихідна напруга встановлюється сигналом з блока керування (БК) у відповідності з рівнем напруги на шинопроводі; електрохімічна акумуляторна батарея (АК) як накопичувач електроенергії, яка може підключатися/відключатися до/від спільного шинопроводу за допомогою ключа, що управляється сигналами від блока керування (БК); перетворювач енергії постійного струму на вході в змінний струм (DC-АС перетворювач), що підключений безпосередньо до шинопроводу, до виходу якого може бути підключений споживач (споживачі); датчик напруги на спільному шинопроводі, вихід якого підключений до входу блока керування (БК); блок керування (БК), який формує сигнали управління перетворювачами та електронними ключовими елементами залежно від рівня напруги на спільному шинопроводі (Патент RU №: 74171, F03D9/00, H01L31/00, опублікований 20.06.2008, Забродский А.Г., Андреев В.М., Румянцев В.Д., Данилевич Я.Б., Миронов Б.Н., Когновицкий С.О.). Інтегрована сонячно-вітрова енергоустановка працює наступним чином. Постійний струм, що виробляється сонячною батареєю, перетворюється в постійний струм DC-DC перетворювачем, з рівень напруги на виході, що встановлюється і контролюється блоком 1 UA 96628 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 керування (БК) у відповідності з рівнем напруги на спільному шинопроводі. Вітер, впливаючи на лопаті вітротурбіни, обертає ротор електрогенератора, який виробляє змінний струм. Цей струм надходить на АС-DC перетворювач, що перетворює його в постійний струм з рівнем напруги, що встановлюється і контролюється блоком керування (БК) у відповідності з рівнем напруги на шинопроводі. Після перетворювачів постійні струми використовуються як для живлення DC-АС перетворювача, а також, при можливості, для накопичення електричної енергії в АК. DC-АС перетворювач перетворює постійний струм в струм, що має характеристики, які необхідні споживачеві електроенергії, наприклад, в змінний струм з частотою 50 Гц та чинною напругою 220 В. У випадку, якщо первинні потужності сонячного випромінювання і вітру перевищують рівень, який необхідний для живлення споживача електроенергії, то надлишок енергії використовується для її накопичення в АК. Якщо первинна потужність знижується і зрівнюється з потужністю споживача, накопичення енергії в АК призупиняється. У випадку, якщо первинної потужності недостатньо для живлення споживача, то нестача потужності компенсується за рахунок енергії, яка накопичена в АК. У разі, якщо рівень енергії в АК досягає мінімально можливого рівня, споживач відключається від інтегрованої сонячно-вітрової енергоустановки і вся первинна потужність використовується для накопичення енергії в АК. Недоліки інтегрованої сонячно-вітрової енергоустановки, що вибрана як прототип, пов'язані, по-перше, з особливими умовами експлуатації електрохімічної акумуляторної батареї (АК), яка при експлуатації потребує постійного контролю за рівнем енергії та за її витратами, ретельного обмеження зарядного струму та захисту АК від перезаряду. Невиконання хоча б одної з вищеперерахованих умов понижує ефективність роботи системи автономного електроживлення в цілому і скорочує строк експлуатації електрохімічного накопичувача енергії, зменшуючи число його циклів заряду/розряду. По-друге, ефективність роботи системи понижується з причини неузгодженості роботи DC-DC перетворювача і АС-DC перетворювача, які живлять спільне навантаження (їх виходи напряму підключені до спільного шинопроводу). При такому включенні крім управління рівнем вихідної напруги перетворювачів, необхідно перешкоджати процесу перетікання вихідного струму з виходу одного перетворювача на вихід другого при зміні потужностей первинних перетворювачів (СБ та ВЕУ). В основу корисної моделі, що пропонується, поставлена задача підвищення ефективності роботи інтегрованої сонячно-вітрової енергоустановки та подовження (збільшення числа циклів заряду/розряду) електрохімічної акумуляторної батареї (АК). Поставлена задача вирішується за рахунок того, що до сонячно-вітрової гібридної енергетичної установки, що містить сонячну батарею (СБ), вихід якої з'єднаний з входом керованого перетворювача постійної напруги на вході в постійну напругу на виході (DC-DC перетворювач), вітроагрегат з електрогенератором (ВЕУ), вихід якого з'єднаний з входом керованого перетворювача змінної напруги на вході в постійну напругу на виході (АС-DC перетворювач), спільний шинопровід, електрохімічну акумуляторну батарею (АК) як накопичувач електроенергії, яка може підключатися/відключатися до/від спільного шинопроводу за допомогою розрядного ключа, який управляється сигналом з блока керування (БК); перетворювач енергії постійного струму на вході в змінний струм (DC-АС перетворювач), що підключений безпосередньо до спільного шинопроводу, до виходу якого може бути підключений споживач (споживачі); датчик напруги на спільному шинопроводі, вихід якого підключений входу блока керування (БК); блок керування (БК), який формує сигнали управління DC-DC перетворювачем та АС-DC перетворювачами, згідно з корисної моделлю, введені допоміжний елемент навантаження, який може підключатися/відключатися по сигналу блока керування (БК) до/від спільного шинопроводу силовим електронним ключем, блок оцінки рівня заряду (БРЗ), вхід якого підключений до електрохімічної акумуляторної батареї (АК), а вихід - до входу блока керування (БК), зарядний ключ з блоком обмеження струму заряду, суматор енергопотоків, входи якого підключені до виходів перетворювача постійної напруги на вході в постійну напругу на виході та перетворювача змінної напруги на вході в постійну напругу на виході, а вихід - до спільного шинопроводу та датчик параметрів (струм, напруга) енергопостачання, який включений між DC-АС перетворювачем та споживачем і виходи якого підключені до входів блока керування (БК), причому DC-АС перетворювач виконаний керованим, сигнал управління якого підключений до виходу блока керування (БК). У корисної моделі, що пропонується, процес перетворення сонячного випромінювання та вітрової кінетичної енергії в електричну енергію реалізується в межах запропонованої схеми наступним чином. Постійний струм, що виробляється сонячною батареєю, перетворюється в постійний струм DC-DC перетворювачем, з рівнем напруги, що співпадає з рівнем напруги на спільному 2 UA 96628 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 шинопроводі. Вітер, впливаючи на лопаті вітротурбіни, обертає ротор електрогенератора, який виробляє змінний струм. Цей струм надходить на АС-DC перетворювач, який перетворює його в постійний струм з рівнем напруги, що також співпадає з рівнем напруги на спільному шинопроводі, виходи перетворювачів підключаються до входів суматора енергопотоків, вихід якого підключається безпосередньо до спільного шинопроводу. Електрична енергія зі спільного шинопроводу використовується для живлення DC-АС перетворювача і/або для зарядки АК та живлення допоміжного елемента навантаження. DC-АС перетворювач перетворює постійний струм в змінний струм з параметрами, які необхідні для живлення споживача електроенергії, наприклад, в змінний струм з частотою 50 Гц та чинною напругою 220 В, причому інформація про рівні вихідного струму та напруги надходить на входи блока керування (БК), а вхід управління DC-АС перетворювача підключений до виходу блока керування (БК). Якщо, потужність сонячного випромінювання та вітру (первинна потужність) перевищує рівень, який необхідний для живлення споживача(-ів) електроенергії, то надлишок енергії використовується для заряду АК за допомогою зарядного ключа та блока обмеження струму заряду. Як тільки рівень заряду АК досягає допустимого, для вибраного як накопичувач АК, максимального значення, сигнал блока оцінки рівня заряду надходить до блока керування (БК), який розмикає зарядний ключ і припиняє заряд АК. Після цього замикається електронний силовий ключ і надлишок енергії направляється на живлення допоміжного елементу навантаження (наприклад для підігріву води). Якщо первинна потужність знижується, то, спочатку, відключається допоміжний елемент навантаження, потім припиняється заряд АК і, якщо первинна потужність стає недостатньою для живлення споживача, то нестача потужності компенсується за рахунок підключення АК до спільної шини за допомогою розрядного ключа. У разі, якщо розряд АК досягає мінімально можливого рівня, споживач відключається від інтегрованої сонячно-вітрової енергоустановки і вся потужність сонячного випромінювання та вітру використовується для заряду АК. В запропонованої корисної моделі підвищення ефективності роботи сонячно-вітрової гібридної енергетичної установки досягається за рахунок того, що, по-перше, шляхом введення в схему сонячно-вітрової гібридної енергетичної установки суматора енергопотоків виключається непродуктивне перетікання вихідного струму з виходу одного перетворювача на вихід другого при зміні потужності енергії від первинних перетворювачів (СБ та ВЕУ) і, по-друге, шляхом введення в схему сонячно-вітрової гібридної енергетичної установки допоміжного елемента навантаження та блока оцінки рівня заряду (БРЗ) вибираються такі режими роботи електрохімічної акумуляторної батареї (АК), при яких не виникає як перезаряду, так і глибокого розряду електрохімічної акумуляторної батареї (АК), що, в свою чергу, не тільки підвищує ефективність роботи системи сонячно-вітрової гібридної енергетичної установки в цілому, а і подовжує строк експлуатації електрохімічного накопичувача енергії, збільшуючи число його циклів заряду/розряду до максимально можливого. Зазначений вище технічний результат, який забезпечується в процесі роботи запропонованого варіанта пристрою сонячно-вітрової гібридної енергетичної установки, обумовлений ознаками, які відрізняють цей варіант за сумою ознак, від подібних пристроїв, описаних згідно з відомим рівнем техніки, зокрема, описаних у корисної моделі і як аналоги, і як прототип. Запропонований пристрій пояснюють наведені креслення, де зображена функціональна схема сонячно-вітрової гібридної енергетичної установки. Згідно з корисною моделлю функціональна схема (див. кресл.) сонячно-вітрової гібридної енергетичної установки містить сонячну батарею (СБ) 1, вихід якої з'єднаний з входом керованого перетворювача постійної напруги на вході в постійну напругу на виході (DC-DC перетворювач) 2, а його вихід - до першого входу суматора енергопотоків 3; вітроагрегат з електрогенератором (ВЕУ) 4, вихід якого з'єднаний з входом керованого перетворювача змінної напруги на вході в постійну напругу на виході (АС-DC перетворювач) 5, а його вихід - до другого входу суматора енергопотоків 3, вихід якого підключено до спільного шинопроводу 6; електрохімічну акумуляторну батарею (АК) 7 як накопичувач електроенергії, яка може підключатися/відключатися до/від спільного шинопроводу 6 за допомогою зарядного ключа 8 з блоком обмеження струму заряду 18, що управляється сигналом від першого виходу блока керування (БК) 9; перетворювач енергії постійного струму на вході в змінний струм (DC-АС перетворювач) 10, що підключений безпосередньо до спільного шинопроводу 6, до виходу якого може бути підключений споживач 11 (споживачі); датчик напруги 12 на спільному шинопроводі, вихід якого підключений до першого входу блока керування (БК) 9. Блок керування (БК) 9 формує на третьому виході сигнал управління DC - DC перетворювачем 2, на четвертому виході - сигнал управління АС-DC перетворювачем 5 і на п'ятому - сигнал 3 UA 96628 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 управління силовим ключем 13, який виконує підключення/відключення допоміжного елементу навантаження 14 до/від спільного шинопроводу 6. Блок оцінки рівня заряду (БРЗ) 15, вхід якого підключений до електрохімічної акумуляторної батареї (АК) 7, а вихід - до другого входу блока керування (БК) 9. Датчик параметрів (струм, напруга) енергопостачання 16, який включений між DC-АС перетворювачем 10 та споживачем 11, своїми виходами підключений до третього та четвертого входу блока керування (БК) 9, причому DC-АС перетворювач 10 виконаний керованим, сигнал управління якого підключений до шостого виходу блока керування (БК) 9. Розрядний ключ 17, який управляється з другого виходу блока керування (БК) 9, може напряму підключати/відключати електрохімічну акумуляторну батарею (АК) 7 від/до спільного шинопроводу 6. Опис роботи джерела, що заявляється Постійний струм, що виробляється сонячною батареєю 1, перетворюється в постійний струм DC-DC перетворювачем 2, з рівнем вихідної напруги, яка співпадає з рівнем напруги на спільному шинопроводі 6. Вітер, впливаючи на лопатки вітротурбіни, обертає ротор електрогенератора 4, який виробляє змінний струм. Цей струм надходить на АС-DC перетворювач 5, що перетворює його в постійний струм з рівнем вихідної напруги, яка також співпадає з рівнем напруги на спільному шинопроводі 6, виходи перетворювачів 2, 5 підключаються до входів суматора енергопотоків 3, вихід якого підключається безпосередньо до спільного шинопроводу 6. Електрична енергія зі спільного шинопроводу 6 використовується для живлення DC-АС перетворювача 10 і/або для зарядки акумулятора (АК) 7 та живлення допоміжного елемента навантаження 13. DC-АС перетворювач 10 перетворює постійний струм в змінний струм з параметрами, які необхідні для живлення, споживача 11 електроенергії, наприклад, в змінний струм з частотою 50 Гц та чинною напругою 220 В, причому інформація про рівні вихідного струму та напруги з виходів датчика параметрів енергопостачання 16, який включений між DC-АС перетворювачем 10 та споживачем 11, надходить на третій та четвертий входи блока керування (БК) 9, а вхід управління DC-АС перетворювача 10 підключений до шостого виходу блока керування (БК) 9. Якщо потужність сонячного випромінювання та вітру (первинна потужність) перевищує рівень, який необхідний для живлення споживача 11 електроенергії, то надлишок енергії використовується для накопичування енергії в АК 7. Як тільки рівень енергії в АК 7 досягає допустимого, для вибраного як накопичувач АК 7, максимального значення, сигнал блока оцінки рівня заряду 15 приходить до другого входу блока керування (БК) 9, при цьому зарядний ключ 8 припиняє заряд АК 7. Після цього замикається електронний силовий ключ 13 і надлишок енергії направляється на живлення допоміжного елемента навантаження 14 (наприклад для підігріву води). Якщо первинна потужність знижується, то, спочатку, відключається допоміжний елемент навантаження 14, потім припиняється накопичення енергії в АК 7. Якщо первинна потужність стає недостатньою для живлення споживача 11, то нестача потужності компенсується за рахунок підключення АК 7 до спільної шини за допомогою розрядного ключа 17. У разі, якщо розряд АК 7 досягає мінімально можливого рівня, споживач 11 відключається від інтегрованої сонячно-вітрової енергоустановки і вся потужність сонячного випромінювання та вітру використовується для накопичення енергії в АК 7. Таким чином, введення в схему сонячно-вітрової гібридної енергетичної установки суматора енергопотоків виключає непродуктивне перетікання вихідного струму з виходу одного перетворювача на вихід другого при зміні потужності енергії від первинних перетворювачів (СБ та ВЕУ), а введення допоміжного елемента навантаження та блока оцінки рівня заряду (БРЗ) дозволяє вибирати такі режими роботи електрохімічної акумуляторної батареї (АК), при яких не виникає як перезаряду, так і глибокого розряду електрохімічної акумуляторної батареї (АК). Ці заходи не тільки підвищують ефективність роботи системи сонячно-вітрової гібридної енергетичної установки в цілому, а і подовжують строк експлуатації електрохімічного накопичувача енергії, збільшуючи число його циклів заряду/розряду до максимально можливого. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 55 60 Сонячно-вітрова гібридна енергетична установка, що містить сонячну батарею (СБ), вихід якої з'єднаний з входом керованого перетворювача постійної напруги на вході в постійну напругу на виході (DC-DC перетворювач), вітроагрегат з електрогенератором (ВЕУ), вихід якого з'єднаний з входом керованого перетворювача змінної напруги на вході в постійну напругу на виході (АС-DC перетворювач), спільний шинопровід, електрохімічну акумуляторну батарею (АК) як накопичувач електроенергії, яка може підключатися/відключатися до/від спільного шинопроводу 4 UA 96628 U 5 10 15 за допомогою розрядного ключа, який управляється сигналом з блока керування (БК); перетворювач енергії постійного струму на вході в змінний струм (DC-АС перетворювач), що підключений безпосередньо до спільного шинопроводу, до виходу якого може бути підключений споживач (споживачі); датчик напруги на спільному шинопроводі, вихід якого підключений до входу блока керування (БК); блок керування (БК), який формує сигнали управління DC-DC перетворювачем та АС-DC перетворювачами, яка відрізняється тим, що введені допоміжний елемент навантаження, який може підключатися/відключатися по сигналу блока керування (БК) до/від спільного шинопроводу силовим електронним ключем, блок оцінки рівня заряду (БРЗ), вхід якого підключений до електрохімічної акумуляторної батареї (АК), а вихід - до входу блока керування (БК), зарядний ключ з блоком обмеження струму заряду, суматор енергопотоків, входи якого підключені до виходів перетворювача постійної напруги на вході в постійну напругу на виході та перетворювача змінної напруги на вході в постійну напругу на виході, а вихід - до спільного шинопроводу, та датчик параметрів (струм, напруга) енергопостачання, який включений між DC-AC перетворювачем та споживачем і виходи якого підключені до входів блока керування (БК), причому DC-АС перетворювач виконаний керованим, сигнал управління якого підключений до виходу блока керування (БК). 5 UA 96628 U Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6